基于PowerPC的單板計算機的設計

摘要: 本文主要介紹了基于PowerPC G4系列的低功耗、多數據并行處理的單板機的設計方法,討論了硬件設計中需要注意的事項和VxWorks 環(huán)境下BSP的調試方法,高度的擴展性和豐富的接口設計使得系統有較好的應用價(jià)值。

1 引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器在通信設備、消費電子、軍用電子等領(lǐng)域有了廣泛的應用，而且對處理器的處理速度、功耗及工作溫度都有了更加嚴格的要求，尤其在汽車(chē)電子、軍用電子等方面的應用。

PowerPC 體系結構是一種精簡(jiǎn)指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）體系結構，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)，主要應用在嵌入式系統中，可以作為單板計算機，進(jìn)行高性能計算和圖像處理。

在PowerPC 家族中，現在應用最為廣泛的是G4 系列, G4 對G3 的重大改進(jìn)有兩個(gè)，第一是支持對稱(chēng)多處理器（SMP）結構，第二是G4 引入了一流的AltiVec 技術(shù)來(lái)處理矢量運算。

AltiVec 技術(shù)是一個(gè)128 位的SIMD 矢量處理引擎，據Motorala *估可以使性能提升到原來(lái)的4.3 倍。

本文以PowerPC G4 主機處理器為例，介紹標準6U 高度CompactPCI 單板計算機的硬件設計以及實(shí)時(shí)操作系統VxWorks 的BSP 開(kāi)發(fā)過(guò)程。

2 單板計算機硬件開(kāi)發(fā)

單板計算機的整體框圖如圖1 所示。

整個(gè)單板的設計分為三個(gè)部分：電源模塊，PowerPC 部分和通信接口部分。其中PowerPC 部分和外圍接口以PCI 總線(xiàn)為分界線(xiàn)，PowerPC 部分包括PowerPC、host bridge、SDRAM 和FLASH。

外圍接口包括網(wǎng)口、串口、通過(guò)PCI 總線(xiàn)擴展的接口和擴展的二級PCI 總線(xiàn)。網(wǎng)口和串口在開(kāi)發(fā)階段用于單板和開(kāi)發(fā)主機通信，并能在單板嵌入操作系統后作為多個(gè)單板之間的通信接口?？驁D中PowerPC 沒(méi)有指定具體的型號，可以選擇IBM 的如PPC750， 也可以選擇Freescale的如PowerPC G4 系列的MPC74XX，host bridge 可以選擇MARVELL 公司的MV64360 或MV*60。用戶(hù)可以根據的不同需要選擇相應的組合。

2.1 電源模塊的設計

電源是任何一個(gè)電路系統至關(guān)重要的部分，所有的信號傳輸都是基于準確而穩定的電源基礎上的。CPCI 連接器提供的電源有5V、3.3V、12V 和-12V，整個(gè)單板上需要的電源有多種：主電源5V、PowerPC 的內核電源、host bridge 內核電源、DDR SDRAM 電源和其余I/O總線(xiàn)電源3.3V。對電流需求大，電源穩定性要求高的，應采用可編程的DC/DC 控制芯片完成電源的轉換。

電源模塊的PCB 布板也要進(jìn)行小心處理， 主要有以下幾個(gè)方面需要注意。

a) 放置去藕電容：隨著(zhù)一定數量的去藕電容被放置在板上，電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產(chǎn)生，還可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問(wèn)題。為了提高電源供電系統的可靠性和降低系統的制造成本，應考慮如何經(jīng)濟有效地選擇去藕電容的系統布局。

b) 降低電源供電系統的阻抗：一個(gè)低阻的電源供電系統(從直流到交流)是獲得低電壓波動(dòng)的關(guān)鍵：減少電感作用，增加電容作用，消除或降低那些諧振峰是設計目標。為達到此目標應降低電源和地板層之間的間距； 增大平板的尺寸；提高填充介質(zhì)的介電常數；采用多對電源和地板層。

2.2 PowerPC 部分

PowerPC 部分包含PowerPC12，host bridge，DDR SDRAM，SRAM 和Flash。此部分是整個(gè)單板計算機的核心，電路設計調試難度也最大PowerPC12 和DDR SDRAM 部分速度較快，電路設計要注意PCB 布線(xiàn)選擇合適的拓撲結構和布線(xiàn)策略, 以保證信號完整性。

a) 拓撲結構的靈活應用

在 PCB 設計中常用的拓撲結構有菊花鏈拓撲和星形拓撲。要根據不同的情況采用不同的拓撲結構。

一般而言，對于多負載的總線(xiàn)系統常采用菊花鏈拓撲，并在最遠端的負載處進(jìn)行適當的終結。菊花鏈拓撲的優(yōu)勢在于易于進(jìn)行阻抗控制，端接簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò )的布線(xiàn)長(cháng)度短，布線(xiàn)較為方便，只要各個(gè)接收器在接收信號時(shí)間上的差別在允許的范圍內就可以采用菊花鏈拓撲進(jìn)行布線(xiàn)（這也說(shuō)明菊花鏈拓撲不適用于高速系統），注意要讓菊花鏈的分支線(xiàn)盡量短。Local bus 上的外設我們是用的此種拓撲結構，local bus 上有Flash、DDR SRAM、SRAM 等外設。

星形拓撲一般在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )或對信號同步要求高的網(wǎng)絡(luò )中應用，其共同點(diǎn)就是要求各接收器在同一時(shí)刻收到驅動(dòng)端發(fā)來(lái)的信號，星形拓撲的布線(xiàn)難度比菊花鏈拓撲的要大，占用空間也大。實(shí)際的星形拓撲會(huì )存在端接傳輸線(xiàn)分支，驅動(dòng)器與公共節點(diǎn)間存在傳輸線(xiàn)分支，這些都會(huì )劣化信號，所以在設計星形拓撲一般需要仿真，以保證信號的完整性。

PowerPC12（U1、U2）和host bridge（U3）采用星形拓撲結構，其后仿真圖形如圖2 所示，基本滿(mǎn)足信號完整性。時(shí)鐘電路采用星形拓撲結構，一個(gè)晶振作為host bridge的輸入基準時(shí)鐘，其余時(shí)鐘都由host bridge 來(lái)提供。另外 PLL 要選擇合適的參數配置，使得芯片和電路穩定運行。

b) 嚴格的等長(cháng)布線(xiàn)要求

在SDRAM 設計時(shí)，要注意調整管腳SDRAM_SYNC_OUT 和SDRAM_SYNC_IN 之間的布線(xiàn)長(cháng)度，使得SDRAM 數據相對時(shí)鐘的建立時(shí)間和保持時(shí)間得到很好的滿(mǎn)足。PCI 部分的時(shí)鐘要注意管腳PCI_SYNC_OUT 和PCI_SYNC_IN 之間的布線(xiàn)長(cháng)度和PCI_CLK 相同。

2.3 通信接口部分:

通信接口實(shí)現人-機、機-機之間的信息交互和數據的傳輸，無(wú)論是在系統調試，還是在系統應用中都非常重要。如圖1 所示，host bridge 集成了兩個(gè)串口和3 個(gè)千兆網(wǎng)控制器，通過(guò)外接串口和網(wǎng)口的收發(fā)器設計用戶(hù)所需的通訊接口。

串口和網(wǎng)口在開(kāi)發(fā)過(guò)程中起著(zhù)重要的作用。利用串口，通過(guò)超級終端或其它終端軟件，可以看到調試過(guò)程中的打印的信息，以幫助調試；利用網(wǎng)口，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載文件或者掛載文件系統。

此外，host bridge 提供兩組PCI 總線(xiàn)，可以通過(guò)PCI 擴展一些外設接口如IDE、USB、網(wǎng)絡(luò )等，可以根據需要進(jìn)行相應的擴展。同時(shí)可以擴展出PMC 接口，連接標準的PMC 設備。另外，選擇一組PCI 總線(xiàn)，通過(guò)PCI to PCI bridge 將其引到J1 和J2，可以與外設板相連，便于系統的擴展，或者在對系統運算處理能力要求較高而希望功耗在比較理想范圍內的高端應用場(chǎng)合，可以讓兩個(gè)或者兩個(gè)以上的處理器以多處理器的方式協(xié)同工作，組成不同的多機系統。

3 VxWorks BSP 開(kāi)發(fā)

嵌入式系統的開(kāi)發(fā)，需要在硬件設計完成后嵌入操作系統才能進(jìn)行上層程序的開(kāi)發(fā)。VxWorks 是美國風(fēng)河公司推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，它是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的操作系統內核，它強大而且比較復雜的操作系統，包括了進(jìn)程管理，存儲管理，設備管理，文件系統管理，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及系統應用等幾個(gè)部分，但只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中一項重要的工作內容是開(kāi)發(fā)板級支持包BSP(Board Support Package)。

3．1 BSP 的概述

BSP 由頭文件、源文件、makefile 文件和派生文件組成。它集成了與硬件相關(guān)的軟件和部分硬件無(wú)關(guān)的軟件，提供VxWorks 訪(fǎng)問(wèn)硬件的驅動(dòng)程序和相關(guān)設備的初始化操作，能對CPU、目標機和系統資源等進(jìn)行初始化。在初始化過(guò)程中，不但對CPU 內部狀態(tài)寄存器、控制寄存器、高速緩存進(jìn)行設置，為上層軟件系統提供硬件環(huán)境的支持，而且為操作系統正常運行進(jìn)行資源初始化。

3．2 調試過(guò)程

系統設計時(shí)采用Bootrom 加VxWorks 的方式，這種啟動(dòng)形式有其獨特優(yōu)點(diǎn)，如適應硬件、方便現場(chǎng)調試等。系統采用的調試工具是Wind River 公司的調試軟件visionCLICK 及仿真器Wind River ICE。具體步驟如下圖 所示：

(1) 系統連接

連接好仿真器和目標板。主要是電源、串口、JTAG 口。

(2)打開(kāi)超級終端

上電后，用仿真器的串口連接電腦的RS 232 串口，打開(kāi)超級終端，按下仿真器的復位鍵，在超級終端可看到仿真器的相關(guān)信息。主要看IP Address，主機(host)的IP 的地址要和仿真器的IP 地址在同一IP 段，在超級終端可運行help 命令，可看到各種命令，均可運行。運行eth-setup命令可更改仿真器的IP 地址。

(3) 新建工程

打開(kāi) visionCLICK，新建工程，按照提示設置，主要有：configuration file，symbolfile，download file 和sourcepath，其他的選項默認，生成bootrom uncmp．a(chǎn)b

(4)程序下載、調試和修改

連接仿真器，下載，運行。提示無(wú)誤后，可觀(guān)察各窗口的寄存器，內存等單元的值，進(jìn)試，如有錯誤，修改源代碼，重新開(kāi)始編譯、下載，直到完全正確為止。

（5）網(wǎng)絡(luò )調試

BootROM 調試完后，把目標板的以太網(wǎng)口和主機的網(wǎng)口相連，VxWorks 會(huì )自動(dòng)從網(wǎng)口引導，把編譯好的VxWorks 加載到目標板，進(jìn)行調試。

（6）程序固化和脫機運行

最后全部完成后，把BootROM 和VxWorks 都固化到目標板上，以便脫機運行。

4 結束語(yǔ)

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：選擇PowerPC G4 系列開(kāi)發(fā)單板機，易于控制整板的低功耗，實(shí)現多數據流并行處理；同時(shí)系統豐富的接口設計和標準的CPCI 結構，便于系統的擴展和組建多機系統。隨著(zhù)科技的發(fā)展，該種計算機在消費電子、通信設備、工業(yè)控制和軍用電子等領(lǐng)域均有良好的應用前景。